【導(dǎo)讀】在一個(gè)射頻通信系統(tǒng)中，噪聲，尤其是信噪比（SNR），是無線接收機(jī)中的一個(gè)基本問題。高噪聲電平會(huì)限制系統(tǒng)的容量、覆蓋范圍，以及許多對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營商和終端用戶都有重大影響的相關(guān)特性。射頻通信接收機(jī)是射頻電路中比較重要的一部分，射它能在頻信號(hào)經(jīng)天線接收后，經(jīng)過相關(guān)濾波器和放大器，將射頻信號(hào)進(jìn)行一系列的頻率變化，最終將信號(hào)調(diào)節(jié)成所需要的調(diào)制信號(hào)。
在一個(gè)射頻通信系統(tǒng)中，噪聲，尤其是信噪比（SNR），是無線接收機(jī)中的一個(gè)基本問題。高噪聲電平會(huì)限制系統(tǒng)的容量、覆蓋范圍，以及許多對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營商和終端用戶都有重大影響的相關(guān)特性。射頻通信接收機(jī)是射頻電路中比較重要的一部分，射它能在頻信號(hào)經(jīng)天線接收后，經(jīng)過相關(guān)濾波器和放大器，將射頻信號(hào)進(jìn)行一系列的頻率變化，最終將信號(hào)調(diào)節(jié)成所需要的調(diào)制信號(hào)。
超外差接收機(jī)
超外差結(jié)構(gòu)能提供非常好的性能，但這種結(jié)構(gòu)需要大量分離元件，像濾波器等。這種結(jié)構(gòu)無法單芯片集成實(shí)現(xiàn)，因此出現(xiàn)了零中頻，低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)。超外差接收機(jī)自從1917首次出現(xiàn)以來一直作為接收機(jī)設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)。直到2000，出現(xiàn)了零中頻接收機(jī)，這種接收機(jī)結(jié)構(gòu)適合完全集成實(shí)現(xiàn)。
圖1 一級(jí)混頻的超外差結(jié)構(gòu)
圖1所示為單級(jí)混頻的超外差結(jié)構(gòu)，混頻器利用本振信號(hào)將RF信號(hào)下變頻到IF頻率。超外差結(jié)構(gòu)由以下模塊組成：輸入帶通濾波器，低噪聲放大器，鏡像抑制濾波器，混頻器，中頻濾波器，AD。
輸入帶通濾波器通常用于抑制帶外干擾信號(hào)，防止帶外強(qiáng)干擾信號(hào)阻塞低噪聲放大器。通常輸入帶通濾波器帶寬比較寬，由多個(gè)信道組成。鏡像濾波器用于抑制鏡像頻率，關(guān)于鏡像濾波器我們下面會(huì)做詳細(xì)介紹。混頻之后的IF帶通濾波器決定了接收機(jī)的通道選擇性，用于抑制鄰道信號(hào)功率，同時(shí)IF帶通濾波器也通常作為AD前端的抗混疊濾波器。
零中頻接收機(jī)
超外差接收機(jī)需要解決的主要問題就是鏡像頻率抑制問題。而零中頻接收機(jī)通過將信號(hào)直接轉(zhuǎn)換到基帶（0Hz），從而克服了鏡像抑制問題。其結(jié)構(gòu)如下：
圖2 零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)
零中頻接收機(jī)本振頻率（LO）和射頻信號(hào)頻率（RF）相等，鏡像頻率也就是信號(hào)頻率本身。不存在鏡像頻率干擾的問題，原超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)中的鏡像抑制濾波器及中頻濾波器都可以省略。這樣一方面取消外部元件，有利于系統(tǒng)的單芯片實(shí)現(xiàn)。
如圖2所示，混頻器后面是一個(gè)模擬低通濾波器，該濾波器作為通道選擇濾波器和AD前端的抗混疊濾波器。如果接收機(jī)的通道選擇性完全由該濾波器實(shí)現(xiàn)，那么要求該濾波器的截止頻率為信號(hào)帶寬的一半，以有效抑制鄰道和更遠(yuǎn)端的信道干擾。
由于該濾波器工作在低頻，因此可以用有源模擬濾波器實(shí)現(xiàn)，注意上下兩個(gè)分支幅度響應(yīng)匹配。有源模擬濾波器相對(duì)于超外差接收中的無源中頻濾波器輸入動(dòng)態(tài)范圍有限，并且阻帶衰減有限。
零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)雖然減小鏡像信號(hào)抑制問題，但同時(shí)帶來了其他問題。這些問題主要是由于輸入信號(hào)的放大組要集中在基帶。這些問題包括：
接收機(jī)的偶次非線性失真
本振泄露和直流偏置
直流偏置
Flicker噪聲
低中頻接收機(jī)
低中頻接收機(jī)嘗試解決零中頻接收機(jī)的直流偏置及flicker噪聲問題，但同時(shí)保持零中頻接收機(jī)的高集成性。很多無線標(biāo)準(zhǔn)要求鄰道干擾的抑制度相對(duì)于其他信道的干擾要相對(duì)較弱。低中頻接收機(jī)充分利用這樣的規(guī)定，選擇合適的中頻頻率將鄰道信號(hào)作為其鏡像信號(hào)。
圖3 低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)
信號(hào)經(jīng)過第一級(jí)混頻，輸出低中頻信號(hào)。I，Q兩路信號(hào)經(jīng)過低通濾波器（抗混疊濾波器），然后抽樣。正如前面提到的，由于I，Q兩路幅度和相位不匹配，很難獲得超過40dB的鏡像抑制比。如果不進(jìn)行較正，通過能過獲得25dB到35dB的鏡像抑制比。如圖所示，AD后面有兩個(gè)放大器和加法電路組成的校正支路，通過這個(gè)支路可以顯著提高鏡像抑制比。
三種接收機(jī)的比較
今天比較三種常用接收機(jī)架構(gòu)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)——外差接收機(jī)、直接采樣接收機(jī)和直接變頻接收機(jī)。我們的意圖并非要褒揚(yáng)某種方案而貶抑其他方案，相反，本文旨在說明這些方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并鼓勵(lì)大家按照工程準(zhǔn)則選擇最適合特定應(yīng)用的架構(gòu)。
外差接收機(jī)
外差方法久經(jīng)檢驗(yàn)，性能出色。實(shí)施原理是混頻到中頻 （IF）。IF需選擇足夠高的頻率，使得實(shí)際濾波器在工作頻段中能夠提供良好的鏡像抑制和LO隔離。當(dāng)有超高動(dòng)態(tài)范圍ADC可用時(shí)，增加一個(gè)混頻級(jí)以降低頻率也很常見。此外，接收機(jī)增益分布在不同的頻率上，這使得高增益接收機(jī)發(fā)生振蕩的風(fēng)險(xiǎn)非常小。通過適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃，外差接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)非常好的雜散能量和噪聲性能。
遺憾的是，這種架構(gòu)是最復(fù)雜的。相對(duì)于可用帶寬，其需要的功耗和物理尺寸通常是最大的。此外，對(duì)于較大分?jǐn)?shù)帶寬，其頻率規(guī)劃可能非常困難。在當(dāng)前追求小尺寸、低重量、低功耗（SWaP） 并希望獲得寬帶寬的背景下，這些挑戰(zhàn)難度很大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員不得不考慮其他可能的架構(gòu)選項(xiàng)。
優(yōu)勢
經(jīng)過驗(yàn)證、可信賴
高性能
最優(yōu)雜散噪聲
高動(dòng)態(tài)范圍u EMI抗擾度佳
挑戰(zhàn)
SWaP
濾波器數(shù)量多
直接采樣
直接采樣方法已被業(yè)界追求許久，其障礙在于很難讓轉(zhuǎn)換器工作于直接射頻采樣所需的速率并且實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬以及實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬。
在這種架構(gòu)中，全部接收機(jī)增益都位于工作頻段頻率，如果需要較大接收機(jī)增益，布局布線必須非常小心。如今，在L和S波段的較高奈奎斯特頻段，已有轉(zhuǎn)換器可用于直接采樣。業(yè)界在不斷取得進(jìn)展，C波段采樣很快就會(huì)變得實(shí)用，后續(xù)將解決X波段采樣。
優(yōu)勢
無混頻
在L、S波段具有實(shí)用性
挑戰(zhàn)
ADC輸入帶寬
在感興趣的頻率范圍內(nèi)增益不平坦
直接變頻
直接變頻架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬的使用效率最高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特頻段工作，此時(shí)性能最優(yōu)，低通濾波更為簡單。兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器配合工作，對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行采樣，從而提高用戶帶寬，同時(shí)又不會(huì)有交織難題。
對(duì)于直接變頻架構(gòu)，困擾多年的主要挑戰(zhàn)是維持I/Q平衡以實(shí)現(xiàn)合理水平的鏡像抑制、LO泄漏和直流失調(diào)。近年來，整個(gè)直接變頻信號(hào)鏈的先進(jìn)集成加上數(shù)字校準(zhǔn)已克服了這些挑戰(zhàn)，直接變頻架構(gòu)在很多系統(tǒng)中已成為非常實(shí)用的方法。
優(yōu)勢
最大ADC帶寬
寬帶選項(xiàng)最簡單
挑戰(zhàn)
鏡像抑制：I/Q平衡
帶內(nèi)IF諧波
LO輻射
EMI抗擾度（IP2）
DC和1/f噪聲
下圖顯示了三種架構(gòu)的框圖和頻率規(guī)劃示例。
圖a為外差接收機(jī)示例，高端LO將工作頻段混頻到ADC的第二奈奎斯特區(qū)。信號(hào)進(jìn)一步混疊到第一奈奎斯特區(qū)進(jìn)行處理。
圖b為直接采樣接收機(jī)示例。工作頻段在第三奈奎斯特區(qū)進(jìn)行采樣并混疊至第一奈奎斯特區(qū)，然后將NCO置于頻段中心，數(shù)字下變頻到基帶，再進(jìn)行濾波和抽取，數(shù)據(jù)速率降低到與通道帶寬相稱的水平。
圖c為直接變頻接收機(jī)示例。雙通道ADC與正交解調(diào)器對(duì)接，通道1對(duì)（同相） I信號(hào)進(jìn)行采樣，通道2對(duì)Q（正交）信號(hào)進(jìn)行采樣。
采用分立實(shí)施方案時(shí)，直接變頻架構(gòu)的鏡像抑制挑戰(zhàn)可能相當(dāng)難以克服。通過提高集成度并結(jié)合數(shù)字輔助處理，I/Q通道可以很好地匹配，從而大幅改善鏡像抑制。
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